[论文解读] Non-parametric Impedance based Stability and Controller Bandwidth Extraction from Impedance Measurements of HVDC-connected Wind Farms

Mohammad Amin, Marta Molinas|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2017

HVDC Systems and Fault Protection被引用 4

一句话总结

本文提出一种非参数化方法，通过测量的阻抗数据从HVDC连接的海上风电场中提取关键控制器带宽（特别是PLL和交流电压控制器），实现无需访问内部控制细节的稳定性评估与缓解。该方法通过阻抗比分析和奈奎斯特判据识别不稳定源，结果表明：将PLL带宽调低至HVDC控制器带宽的10倍以下，可确保系统稳定。

ABSTRACT

Impedance measurements have been widely used with the Nyquist plot to estimate the stability of interconnected power systems. Being a black-box method for equivalent and aggregated impedance estimation, its use for the identification of sub-components bandwidth is not a straightforward task. This paper proposes a simple method that will enable to identify the specific part of the equivalent impedance (e.g. controller's bandwidth) that has major impact on the stability of the system. For doing that, the paper analyses the stability of an interconnected system of wind farms and high voltage dc (HVDC) transmission system. The impedance frequency responses of the wind farms and HVDC system from the ac collection point are measured and it is shown by the method proposed in this paper, which controller has major impact in the observed oscillation. A mitigation technique is proposed based on re-tuning of the critical controller bandwidth of the interconnected converters. The method suggested can reveal the internal controllers' dynamics of the wind farm from the measured impedance combined with an analytical expression of the impedance and a transfer function identity when no information about the controllers is provided by the vendors due to confidentiality and industry secrecy.

研究动机与目标

• 解决在因工业保密而无法获取详细控制模型时，评估HVDC连接的海上风电场稳定性的挑战。
• 识别在互联换流器中导致系统振荡的主要控制器（例如PLL或交流电压控制器）。
• 开发一种实用的非参数化方法，从测量的阻抗频率响应中推断内部控制器动态特性。
• 提出一种基于重新调谐关键控制器带宽的缓解策略，以确保系统稳定。
• 建立通用设计准则：HVDC整流器控制器带宽应为风电场PLL带宽的10倍以上。

提出的方法

• 在稳定运行条件下，测量风电场和HVDC系统在交流汇集点的频域阻抗响应。
• 应用系统辨识技术，从测量数据中推导出聚合风电场阻抗的连续传递函数，将系统视为黑箱/灰箱处理。
• 利用HVDC整流器与风电场之间的阻抗比，应用奈奎斯特判据进行稳定性评估。
• 利用传递函数恒等式和解析阻抗表达式，在无法获取厂商提供的控制参数的情况下，推断内部控制器动态特性。
• 对特征值进行参与因子分析，确定哪些控制器状态对不稳定性的贡献最大。
• 提出一种基于重新调谐PLL带宽的缓解策略，确保在PLL带宽以下，HVDC系统的q轴阻抗幅值始终低于风电场的阻抗幅值。

实验结果

研究问题

• RQ1 当无法获取内部控制信息时，如何从测量的阻抗数据中提取控制器带宽？
• RQ2 在HVDC连接的风电场系统中，哪个控制器是导致观测到的低频振荡的主要原因？
• RQ3 PLL带宽与HVDC整流器控制器带宽之比对系统稳定性有何影响？
• RQ4 能否建立一个通用设计准则，以防止黑箱换流器系统的不稳定？
• RQ5 如何在模型访问有限的实际HVDC连接海上风电场中有效应用基于阻抗的稳定性分析？

主要发现

• 通过参与因子分析，识别出PLL和交流电压控制器是导致不稳定的最主要状态。
• 当HVDC整流器的q轴阻抗幅值在PLL带宽以下超过风电场阻抗幅值时，系统变得不稳定，尤其在8.5 Hz附近。
• 通过将PLL重新调谐为42°相位裕度和4.72 Hz闭环带宽，成功稳定了系统，奈奎斯特图未包围(-1, j0)点，验证了稳定性。
• 观察到一条通用稳定性准则：若PLL开环相位裕度超过40°，且PLL带宽为交流电压控制器穿越频率的1/10，则系统保持稳定。
• 该方法成功识别出：HVDC整流器的q轴阻抗在交流电压控制器带宽处表现为带通滤波器特性，而风电场的q轴阻抗在PLL带宽以下表现为带阻滤波器特性。
• 通过奈奎斯特分析和时域仿真，验证了缓解技术——即将PLL带宽显著调低至HVDC控制器带宽以下——可确保系统稳定运行。